Nouveaux concepts pour des lasers de puissance : fibres cristallines dopées Ytterbium et pompage direct de cristaux dopés Néodyme

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cristallines dopées Ytterbium et pompage direct de

cristaux dopés Néodyme

Damien Sangla

To cite this version:

Damien Sangla. Nouveaux concepts pour des lasers de puissance : fibres cristallines dopées Ytterbium et pompage direct de cristaux dopés Néodyme. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Claude Bernard - Lyon I, 2009. Français. �tel-00448320�

N° Ordre : 300 - 2009 Année 2009

THESE DE L‘UNIVERSITE DE LYON

UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1

ECOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE ET D’ASTRONOMIE

DIPLOME DE DOCTORAT

(arrêté du 7 août 2006)

Soutenue publiquement le 21 décembre 2009

par

SANGLA Damien

TITRE :

Nouveaux concepts pour des lasers de puissance : fibres

cristallines dopées Ytterbium et pompage direct de

cristaux dopés Néodyme

Directeurs de thèse : Mr François Balembois Mr Kheirreddine Lebbou

JURY :

Mme Marie-France Joubert Présidente

Mr Vincent Couderc Examinateur

Mr Jean-Marie Fourmigué Invité

Mr Richard Moncorgé Rapporteur

REMERCIEMENTS

Avant d'entamer la lecture de ce manuscrit, il faut avoir à l'esprit que ce travail n'aurait pas été possible sans un certain nombre de personnes que je souhaite remercier avec ces quelques lignes qui ne suffiront sans doute pas…

Ma thèse a avant tout été soutenue et financée par l'Université Claude Bernard Lyon 1 grâce à une bourse ministère du Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents. Je souhaite donc remercier sincèrement Christian Pédrini et Marie-France Joubert qui se sont succédés à la tête de ce laboratoire durant les 3 dernières années. Je remercie également Pierre Chavel, directeur du Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique pendant cette période, au sein duquel s’est déroulée la majeure partie de mes travaux.

Si vous lisez ces quelques lignes, c'est également grâce au temps de lecture et de corrections qu'ont bien voulu me consacrer Richard Moncorgé, Professeur de l'Université de Caen et Olivier Musset, Maître de conférences à l'Institut Carnot de Bourgogne pour rapporter mes travaux. Je remercie également Marie-France Joubert et Vincent Couderc, chargé de recherche au laboratoire Xlim pour avoir pris part à mon jury.

Ce travail n'aurait sans doute jamais vu le jour si je ne m'étais pas retrouvé face à François, comme une âme en peine après un stage infructueux de 3ème année… Il a très subtilement tissé sa toile et "réussi à ferrer un nouveau thésard", comme il le dit lui-même ! François (devenu donc mon co directeur de thèse) est le prototype le plus abouti du professeur/chercheur/manager/directeur des études moderne : grâce à lui, il est possible de cerner les clés les plus obscures des lasers et deux minutes après être surpris par les rouages administratifs de l’Institut d’Optique. A ses côtés, on apprend à s'émerveiller devant une idée (tout à fait saugrenue mais bougrement efficace) que seul lui peut avoir : par exemple une nouvelle technique de pompage direct activé thermiquement avec un pompage indirect, ou encore des géométries révolutionnaires de fibres "trompettes". N'oublions pas qu'il est aussi l'auteur de quelques belles phrases mémorables comme "on ne va quand même pas s'em… avec la croissance cristalline" à faire pâlir un thésard ou des collègues susceptibles… Cependant, il sait gérer habilement les différentes problématiques humaines liées à un projet de recherche grâce à une diplomatie sans faille. Son agilité en fait un redoutable artiste au dessus du marbre (et tant pis si on passe 1h à tout réaligner après son passage…). Il sait surtout être d'excellent conseil et reste toujours ouvert pour de nouvelles manip' tant qu'il est possible d'avoir des "publishable results"… Tant pis pour le nombre de papiers à écrire… Bref, vous l'aurez compris, travailler avec François marque pour toujours ! Du fond du coeur, merci d'avoir cru en moi et merci pour ce que tu m’as apporté pendant ces 3 ans. Je te souhaite une bonne continuation dans toutes tes activités, et en particulier dans les futurs projets scientifiques car la recherche ne peut pas se passer de tes immenses compétences !

Mon encadrement n'aurait pas été aussi agréable si je n'avais pu compter sur Kheirreddine comme directeur de thèse. Grâce à lui, j'ai pu bénéficier d'une immense liberté dans mon travail et j'ai toujours senti que l'on me faisait entièrement confiance. L'autonomie, la disponibilité et le soutien dont j'ai pu bénéficier ont constitué les briques de base de ce travail, et il en est le principal artisan. Merci pour tout ça, Kheirreddine ! Je te souhaite sincèrement une grande réussite dans tous les projets dans lesquels tu es impliqué pour la croissance du saphir !

Le tableau de mon encadrement ne saurait être complet sans bien sûr, Ze grand chef de l'équipe ELSA. Patrick a fortement contribué à m'attirer dans l'antre du laboratoire grâce à son cours extrêmement enrichissant de Techno des lasers (au même titre que François ou Gaëlle avec le leur...). Ayant soutenu ma thèse 20 ans jour pour jour après lui, je serai si heureux d'accomplir un jour une fraction minime de ce qu'il a accompli

jusqu'à présent… Travailler avec Patrick est un privilège et cela permet de profiter quotidiennement de sa Science (avec un grand S) des lasers, de sa disponibilité pour promulguer des conseils de manip' ou des analyses de résultats toujours judicieux, de son ouverture d'esprit associée à un pragmatisme à toute épreuve pour que les choses avancent. Je ne peux oublier non plus les nombreuses discussions sur l'actualité, le rugby, ou encore sur le fonctionnement d'un chiller récalcitrant… Pour tous ces moments, pour ta confiance et pour le reste, merci !

Mon travail et l'ensemble des résultats obtenus sont le fruit d'une équipe de travail efficace, à l'écoute de mes exigences les plus sévères. Je souhaite donc leur rendre un GRAND hommage avec ces quelques mots. Un grand merci d'abord à Julien qui a su me transmettre avec entrain et bonne humeur son engouement pour les lasers de puissance et pour la technologie de fibre cristalline. Julien a cette ferveur associée à une disponibilité et un sens pédagogique inné pour rendre les choses obscures instantanément limpides. Ce fut un immense plaisir d'apprendre à tes côtés. J'ai également été initié aux joies de la croissance cristalline par l'intermédiaire de Didier et Nicolas. Ce dernier restera plus qu'un compagnon de route, c'est maintenant un ami que j'ai appris à connaître pendant l'aventure des fibres Ytterbium et ses nombreuses péripéties (entre autres de polluant, de dopage, ou de gainage…). Merci pour tout le travail accompli, je suis persuadé que tu trouveras LE moyen révolutionnaire pour que ne décolle Fibercryst et tout ce qui va avec ! Dans cette tâche, nul doute qu'Igor en sera un des artisans. Merci pour tout le soutien que tu m'as apporté sur le chemin vers la puissance laser, que ce soit à 946 mn, sur l'Ytterbium ou maintenant avec tes "bébés" que sont les amplis Nd ou l'Erbium. Prends garde à ne pas oublier que longue est la route de la réussite ! Tu possèdes toutes les qualités pour accomplir ta destinée ! Pour encadrer tout ce beau monde chez Fibercryst, il fallait bien un "patron" de la poigne ferme de Jean-Marie dans un gant blanc de velours. J'ai énormément apprécié notre collaboration au cours de laquelle je me suis réellement senti comme un des "vôtres". Merci aussi pour les souvenirs de San Franscisco ou les restos lyonnais (bouchon ou pizzas si typiques) ! Je souhaite également remercier les compagnons du projet Idéalaser (« quelle dénomination au passage ! »). Alain et Olivier, ce fut très plaisant de discuter et d’imaginer le futur des fibres cristallines dans des réunions très enrichissantes pour tout le monde.

Mes remerciements vont ensuite au reste des membres de l'équipe ELSA sans qui ces 3 dernières années ne m'auraient pas paru si inoubliables. A commencer par Gaëlle, la permanente représentante de la gente féminine. Hormis le fait que nous ayons partagé une semaine extra en Californie (entre les gouttes au Golden Gate ou sous un soleil radieux sur les pentes de Russian Hill…), Gaëlle sait toujours être à l'écoute et d'excellent conseil sur les différents enjeux de l'après-thèse, sur la physique des diodes lasers ou de la conception optique, sur le chocolat ou sur l'analyse précise et passionnée de l'œuvre de Proust… Quel enrichissement d'avoir pu discuter avec toi au café ou sur les chemins de la cantine ! Je te souhaite beaucoup de courage pour ton HDR, car tu mérites largement une telle reconnaissance. Marc H a également fait partie de ces moments si particuliers… Aussi bien maestro de la guitare que de l'équation de Schrödinger non linéaire, il sait plaisanter sur tout et se détacher avec élégance de toute forme de "soucis" quotidiens inhérents à son activité favorite : la rédaction de dossiers. Marc, ta philosophie, ton langage châtié et les intitulés que tu mets à tes objets de mails sont des exemples pour nous tousi_…

J'ai été ravi de profiter de tout ça à tes côtés ! Reste comme tu es, et la force de la rédaction de projet tu transpireras ! Enfin, nul ne peut passer à côté de l'humour décapant, de la vivacité d'esprit et des vidéos interdites de Fred ! Avec toi, le quotidien au sein de l'équipe ne saurait jamais être austère ou ennuyeux. Tes contributions et ta bonne humeur sont réellement indispensables à l'équipe. Un immense merci pour tous ces bons moments ! Je ne

ihuhuhuhuhuhuhuhu...

peux oublier Gérard qui a su se rendre disponible pour me promulguer quelques conseils judicieux de plomberie ou de thermique et me dessiner efficacement les pièces mécaniques dont j'avais besoin.

Les permanents de l'équipe ELSA sont toujours prêts à transmettre leur joie de vivre aux jeunes (ou moins jeunes) thésards ou post doctorants. Parmi les moins jeunes, mes pensées vont pour Emilie et sa bonne humeur, Justine avec ses bons conseils et son immense gentillesse. Je pense à Pierre avec qui j'ai partagé d'excellents moments entre les matchs de rugby, les piniouf et tout le reste. Que ta nouvelle vie marseillaise te comble ! Mes pensées vont aussi fortement vers Benjamin avec qui j'ai partagé toutes les joies et les peines de la rédaction. Merci à toi de m'avoir montré la voie. Ton abnégation, ta force tranquille et ta bonne humeur quotidienne m'ont beaucoup apporté ! Pourvu que ça dure…

Parmi les jeunes anciens, Marc et David ont été de valeureux compagnons de galère. Marc, je n'oublie pas les nombreuses complaintes sur le présent et l'avenir au cours d'une énième pause café entre deux lignes de manuscrit. Je te souhaite de t'épanouir pleinement en Allemagne et de ne pas nous revenir trop imbibé de boisson à base d'orge et de houblon… David, je ne peux que souligner ton talent de photographe et d'accessoiriste de la Georges Lucas Compagnie. Merci pour les discussions sur les secrets (qui ne le sont plus) de Word 2007. J'ai beaucoup aimé ta science de la recherche sur internet et ton excellent gâteau à la cannelle ! Je te souhaite de décrocher le plus rapidement possible un poste à la mesure de ta bonne humeur.

Les trois suivants, Delphine, Mathieu et Franck entrevoient le rayon de lumière en bout de tunnel. Je vous souhaite une traversée la plus rapide et la plus fructueuse possible. Merci, Delphine, pour ta gentillesse de tous les instants et pour ton aide aussi précieuse que désespérée pour localiser François. Merci Mathieu pour tes anecdotes, ta disponibilité et ton immense contribution au Student Chapter. Bonne continuation à tous les deux pour cette année si particulière. Franck, quant à toi, tu auras été mon collègue de bureau réunionnais préféré. Ton soutien parfois ingrat (envers mon PC et mon Word), souvent amusé (en particulier grâce à ces VDM…) m'ont incroyablement apporté durant cette dernière année. Merci donc pour tout ça. Merci aussi, parce que j'utilise maintenant un MAC en grande partie grâce à toi… Bon courage avec tes fibres, tes cornées, et ta rédaction en LaTex (est-ce bien raisonnable ?). Bonne continuation à toi aussi Vivianne.

Enfin, dans le microcosme de l'équipe, on découvre chaque année de nouveaux arrivants : bon courage à vous, Cendrine, Patricia, Louis, Mas et Dong !

Je n'oublie pas les post-doctorants : Dimitris, nous n'avons pas travaillé ensemble, mais tu as toujours été prêt à m'aider et à t'intéresser à ce que donnaient ces bouts de cristaux qui passaient entre mes mains. Merci pour tout et pour ces quelques jours sous la pluie à Munich où nous sommes parvenus à oublier l'humidité dans quelques biergarten… Je remercie également Shifeng qui a partagé avec moi sa culture et sa gentillesse. Merci aussi à Mick-Mick pour son humour et son accent du ch'nord. Enfin, Yoann a aussi fait parti de ceux qui m’ont aidé et avec qui j’ai partagé d’excellents souvenirs à San Francisco et San José. Merci à toi d’avoir cru autant aux fibres cristallines, merci pour tes anecdotes aux frontières du réel…

Je remercie à nouveau François de m'avoir permis d'enseigner les TP pendant 2 ans, Didier Lançon, directeur des études de la Fondation EPF et Catherine Vaiciekauskas de m'avoir permis d'assurer également le cours d'Optique Technique. Ce furent deux expériences extrêmement enrichissantes personnellement.

Ces trois ans de thèse ont donc été un véritable accomplissement intellectuel et humain, mais il n'en aurait pas été ainsi si je n'avais pas pu compter sur le soutien de tous mes amis de la Réunion, de Paris, de Bordeaux et d'ailleurs. Merci à vous !

D'un point de vue plus personnel, je termine ces remerciements en m'attachant aux personnes sans qui je n'aurais pu accomplir tout ce travail. Je remercie donc très chaleureusement mes parents d'avoir fait de moi ce que je suis. Merci à ma sœur et à mon frère que je retrouve toujours avec un immense plaisir. Merci aussi à Alice, Christian, Sophie et Adèle.

Mes pensées vont enfin vers celle qui partage ma vie, qui a été d'un soutien et d'une compréhension incroyables. MILLE mercis à toi, Euphémie, pour ta patience, ta joie de vivre, ton sourire… Une page se tourne avec la fin de cette thèse mais il en reste tant à écrire tous les deux…

Merci aussi à la musique (Pink Floyd, Radiohead, Coldplay, Blur, Groundation, Steel Pulse et bien d'autres) de m'avoir accompagné durant les heures passées au clavier…

Le mot de la fin sera composé de deux proverbes créoles parfaitement adaptés au travail mené pendant ces 3 ans de recherche :

« Pakab lé mor san essayé » i

« Chemin lé lon mé tracass’pa, ti pa ti pa, n’arrivé » ii

i _{Ne jamais dire qu‟on ne peut pas faire quelque chose sans avoir essayé.}

Table des matières

Introduction générale ... 11

PARTIE I : ... 19

Etude et réalisation de sources de fortes puissances à base de

fibres cristallines dopées ytterbium ... 19

1.

Etat de l’art des sources de fortes puissances à base de

matériaux dopés ytterbium ... 22

1.1 Cadre de l’étude bibliographique ... 22

1.2 Les sources à cristaux massifs : architecture classique ... 22

1.2.1 Le pompage longitudinal ... 23

1.2.2 Le pompage transverse ... 26

1.3 Les sources à fibres amorphes dopées ... 27

1.3.1 Les fibres à structures double gaine ... 27

1.3.2 Les fibres à cristaux photoniques ... 30

1.3.3 Nouvelles fibres dopées pour la montée en énergie ... 32

1.3.4 Bilan sur les fibres amorphes... 33

1.4 Les sources à cristaux à géométrie avancée ... 33

1.4.1 Les lasers à disques minces ... 33

1.4.2 Les slabs lasers ... 36

1.4.3 Les systèmes à guide d‟onde planaire (« planar waveguide ») ... 38

1.4.4 Vers les lasers à fibres cristallines… ... 39

1.5 Conclusions sur l’état de l’art ... 42

1.6 Présentation du concept utilisé ... 44

2.

Méthodes d’élaboration des fibres cristallines ... 46

2.1 La méthode Czochralski... 46

2.2 Les céramiques lasers en forme de fibre ... 47

2.3 La méthode « Laser Heated Pedestal Growth » (LHPG) ... 49

2.4 La méthode micro-pulling down (µPD) ... 51

2.5 Conclusions sur les voies de réalisations ... 53

3.

Etude théorique pour le dimensionnement de fibres cristallines

dopées ytterbium ... 54

3.1 Propriétés et modélisations des grandeurs liées au matériau ... 54

3.1.1 Propriétés spectroscopiques de l‟ion ytterbium ... 54

3.1.2 Définition du gain linéique et de l‟intensité de transparence ... 59

3.2 Modélisation des grandeurs liées au laser ... 70

3.2.1 Modélisation de la propagation de la pompe ... 70

3.2.2 Modélisation du faisceau laser ... 74

3.2.3 Intérêt de la zone de propagation libre de la pompe ... 76

3.3 Validation expérimentale des simulations ... 79

3.3.1 Premiers choix techniques effectués... 79

3.3.2 Quel critère d‟optimisation choisir ? ... 81

3.3.3 Résultats des calculs pour 60 W de pompe ... 81

3.3.4 Détermination expérimentale du gain petit signal ... 83

3.3.5 Comparaison des résultats... 84

3.4 Dimensionnement à forte puissance de pompe ... 86

3.4.1 Quel système de pompe choisir ? ... 86

3.4.2 Spécifications de la fibre cristalline et influence des effets thermiques ... 88

3.4.3 Définition du faisceau de pompe ... 92

3.4.4 Définition du faisceau laser ... 93

3.4.5 Influence du diamètre des fibres cristallines ... 96

3.5 Conclusions ... 98

4.

Caractérisations des fibres cristallines ... 100

4.1 Caractérisations physico-chimiques ...101

4.1.1 Caractérisations structurelles du matériau ... 101

4.1.2 Observations et état de surface des faces ... 103

4.1.3 Caractérisations spectroscopiques ... 105

4.1.4 Localisation du dopant ... 107

4.2 Caractérisations des propriétés optiques intrinsèques ...110

4.2.1 Transmission intrinsèque ... 110

4.2.2 Evaluation des pertes par dépolarisation ... 112

4.2.3 Propriétés de guidage ... 113

4.2.4 Absorption ... 116

4.3 Caractérisations optiques avancées ...118

4.3.1 Répartition spatiale de l‟excitation ... 118

4.3.2 Etude du comportement thermique ... 121

4.4 Conclusions sur les caractérisations des fibres cristallines ... 127

5.

Réalisations expérimentales d’oscillateurs lasers à fibres

cristallines dopées ytterbium ... 128

5.1 Choix de la cavité laser ... 128

5.1.1 Simulations de la lentille thermique ... 129

5.1.2 Simulations des cavités laser ... 130

5.2 Oscillateurs en régime continu ... 132

5.2.1 Comparaison entre une fibre µPD et un barreau Czochralski à 60 W de pompe ... 132

5.2.2 Montée en puissance : performances pour 200 W de pompe ... 134

5.3.1 Le régime déclenché : principe de fonctionnement et moyens de

réalisation... 140

5.3.2 Résultats pour 60 W de pompe ... 144

5.3.3 Vers la montée en puissance ... 146

5.4 Bilan des résultats obtenus en configuration laser ... 148

6.

Conclusions et perspectives sur les sources laser à fibres

cristallines ... 152

6.1 Une technique de croissance rapide et maîtrisée ... 152

6.2 Comparaison à l’état de l’art et perspectives envisageables ... 153

6.3 Futurs développements des sources à fibres cristallines ... 155

6.3.1 Concept d‟amplificateur à fibre cristalline ... 155

6.3.2 Intérêt d‟une fonctionnalisation de la fibre cristalline ... 158

6.3.3 Des fibres cristallines avec d‟autres matériaux ... 160

PARTIE II : ... 163

Pompage direct de cristaux dopés néodyme dans la bande

d’émission ... 163

1.

Etat de l’art du pompage direct de l’ion néodyme ... 166

1.1 Propriétés laser de l’ion néodyme et cadre de l’étude ... 166

1.2 Le pompage classique à 808 nm ... 167

1.3 Le pompage direct par laser : faisabilité et premières démonstrations 168 1.4 Le pompage direct par diode ... 169

1.5 Bilan de l’état de l’art ... 171

2.

L’absorption : un paramètre clé pour le pompage direct ... 173

2.1 Propriétés spectroscopiques... 173

2.1.1 Absorption du Nd:YAG ... 173

2.1.2 Absorption du Nd:YVO₄ ... 173

2.1.3 Récapitulatif ... 175

2.2 Comment favoriser l’absorption en pompage direct ? ... 175

2.2.1 Augmenter le coefficient d‟absorption ... 176

2.2.2 Augmenter la longueur du cristal ... 182

2.3 Conclusions sur l’absorption ... 188

3.

Etude expérimentale du Nd:YAG pompé par diode laser à

938 nm ... 189

3.1 Etude de l’absorption ... 189

3.1.1 Recouvrement spectral ... 189

3.1.2 Influence de la température moyenne ... 190

3.3 Comparaison de l’échauffement thermique entre un pompage à

808 nm et à 938 nm ... 193

3.4 Peut-on faire mieux ? ... 195

3.5 Conclusions sur le Nd:YAG ... 196

4.

Etude expérimentale du Nd:YVO

pompé par diode laser à

914 nm ... 197

4.1 Etude de l’absorption ... 197

4.1.1 Recouvrement spectral ... 197

4.1.2 Polarisation de l‟absorption ... 198

4.1.3 Augmentation de la température moyenne ... 198

4.2 Réalisation laser en régime continu ... 199

4.2.1 Choix de la cavité ... 199

4.2.2 Résultats obtenus ... 200

4.3 Etude des effets thermiques ... 202

4.3.1 Evaluation du gradient thermique sur la face pompée ... 202

4.3.2 Evaluation de la lentille thermique ... 204

4.3.3 Comparaison avec un pompage à 808 nm ... 205

4.4 Conclusions sur le Nd:YVO4 ... 208

5.

Conclusions et perspectives ... 209

Conclusions générales et perspectives ... 211

Annexes ... 217

Annexe A Particularités du fonctionnement à quasi-trois niveaux

dans une fibre cristalline ... 219

Annexe B Copie de l’article sur la croissance et les caractérisations

des fibres cristallines en Yb:LuAG ... 223

Liste des publications et conférences de l’auteur sur ces

travaux de thèse ... 231

Introduction générale

Depuis la fin des années 1950 durant lesquelles les premières études à la fois théoriques [Basov '54-Schawlow '58] et expérimentales [Maiman '60] ont été menées sur les lasers, cette « simple curiosité scientifique » comme l‟appelait Theodore Maimann au moment de sa découverte, n‟a cessé d‟envahir notre quotidien (DVD, « Blu-Ray® _{», lecteurs} de codes barres…). Les exemples d‟applications concrètes dans le domaine scientifique, militaire ou encore industriel sont innombrables : le laser est l‟exemple même de « l‟outil » qui créée son propre « besoin ».

Dans le domaine industriel en particulier, il y a, depuis le début des années 1990, une forte recrudescence des besoins techniques pour l‟usinage de matériaux (découpe, gravure, soudage…). Comme le montre le graphique ci-dessous, le marché mondial de l‟usinage par laser a atteint en 2008 près de 2 milliards d‟euros parmi lesquels, les sources solides (diodes laser, cristaux massifs, disques minces et fibres) occupent une place prépondérante avec près de 50 % des systèmes utilisés.

Le marché des lasers pour l’usinage par type de lasers

en 2008 (d’après [Optech '09]) Exemple d’usinage au laser (découpe) Ces technologies répondent en effet parfaitement aux contraintes de robustesse, de fiabilité et de consommation électrique imposées par les industriels. Néanmoins, pour améliorer leurs processus, ces derniers sont toujours fortement demandeurs de nouvelles solutions permettant d‟atteindre toujours plus de puissance et d‟énergie en sortie des systèmes lasers.

Les diodes lasers de puissance

Le système de prédilection des industriels est celui qui sera le moins consommateur d‟énergie. Pour cela, les diodes lasers dont les performances sont en constante évolution présentent les meilleures efficacités : le rapport entre la puissance optique obtenue et la puissance électrique consommée dépasse les 50 %. Les gammes de puissances de ces systèmes sont de plusieurs centaines de watts en régime continu couplés dans des fibres multimodes dont la taille varie entre 100 µm et 400 µm de diamètre de cœur et d‟ouverture

numérique égale à 0,22. On parle alors de système de forte « luminance », puisqu‟elle atteint plusieurs centaines de kW/cm²/sr.

Un exemple de systèmes de diodes lasers remises en forme et couplées dans une fibre multimode est reproduit ci-dessous.

A gauche : système de couplage de plusieurs émetteurs dans une fibre multimode. A droite : modèles commerciaux proposés par la société Dilas.

Cependant, ces systèmes fonctionnent préférentiellement en régime continu ce qui limite l‟interaction lumière/matière à un effet purement thermique : l‟échauffement local mène alors à la rupture du matériau. De plus, la qualité de faisceau en sortie de ces systèmes reste limitée, ce qui impose des contraintes sur la distance et la taille de la tâche de focalisation.

Afin de remédier à ces limitations, l‟idée est alors d‟utiliser un système jouant le rôle de « convertisseur de propriétés optiques ». C‟est ainsi que l‟on peut qualifier de façon générique la famille des lasers solides pompés par diodes. La conversion se fait d‟un point de vue temporel (émission laser impulsionnelle), spatiale (émission de bonne qualité) et spectrale (en longueur d‟onde d‟émission) préférentiellement autour de 1 µm pour les systèmes les plus performants. Cette gamme de longueur d‟onde correspond en effet, à la bande d‟émission principale des ions terres rares comme le néodyme et l‟ytterbium qui sont les plus répandus. Une étape supplémentaire de conversion spectrale peut également être envisagée par des effets non-linéaires comme le doublement ou la somme de fréquence.

Les lasers solides pompés par diodes

Parmi les lasers solides pompés par diodes, des systèmes dépassent actuellement la dizaine de kilowatts avec une excellente qualité de faisceau. C‟est le cas par exemple des systèmes à fibres de plus de 10 kW avec un faisceau monomode [Gaspontsev '09] ou de systèmes à disques minces émettant plus de 25 kW avec un faisceau multimode [Boeing '08].

Le principal avantage des lasers solides réside surtout dans la possibilité de contrôler temporellement le faisceau de sortie. En effet, parvenir à concentrer la lumière

sur une durée courte, permet d‟atteindre d‟importantes puissances crêtes (supérieures à quelques kW). Avec des impulsions allant d‟une durée de quelques femtosecondes à plusieurs centaines de picosecondes, l‟usinage peut se faire par ablation : il n‟y a aucun échauffement qui est mis en jeu, et la découpe est précise et peu profonde. Cette technique est très utilisée pour le micro-usinage par exemple.

De plus, avec les lasers solides pompés par diode, il est possible de combiner les deux procédés d‟usinage (thermique et ablatif). Cela nécessite d‟atteindre à la fois une forte puissance crête (supérieure à 100 kW) et une forte énergie (supérieure à 1 mJ) à l‟aide d‟impulsions d‟une durée de l‟ordre de la nanoseconde. Les sources impulsionnelles à base de cristaux solides pompés par diode représentent actuellement le seul moyen pour répondre à ces besoins. Ces systèmes sont de toute évidence le meilleur compromis en termes de qualité de faisceau, d‟efficacité et de performances obtenues. Leur principe est reproduit sur la figure ci-dessous.

Principe du laser déclenché

Dans un système déclenché, l‟émission laser est contrôlée par un obturateur introduit dans la cavité. Le milieu stocke l‟énergie quand l‟obturateur est fermé et la réémet sous la forme d‟impulsions lumineuses à l‟ouverture de l‟obturateur.

L‟élément indispensable qui permet de convertir efficacement la puissance électrique en puissance lumineuse est un système à diodes lasers de puissance utilisé pour le pompage des milieux lasers. Comme ces diodes laser sont de plus en plus puissantes, les effets thermiques dans les milieux solides sont donc de plus en plus problématiques. La gestion de ces effets représente ainsi un des challenges majeurs pour le concepteur laser.

Milieu laser et effets thermiques

L‟étude et la conception d‟un système laser de forte puissance est indissociable de la compréhension et de la prise en compte de nombreux effets perturbateurs susceptibles de limiter le rendement global du système. Parmi eux, on peut citer la façon dont le milieu est capable de convertir la puissance de pompe apportée en puissance laser. On parlera alors de rendement optique-optique du système. L‟efficacité absolue accessible est liée à la différence d‟énergie entre un photon de pompe et un photon laser. Cette grandeur, appelée dans la suite de ce travail « défaut quantique » est égale à la différence d‟énergie entre un

photon de pompe absorbé et un photon laser émis rapporté à l‟énergie d‟un photon de pompei_{. Le défaut quantique }

Q vaut donc : P Q L 1     

Avec L et P respectivement la longueur d‟onde laser et la longueur d‟onde de pompe. Toute l‟énergie qui n‟est pas consommée sous forme lumineuse sera dissipée sous forme de chaleur. C‟est ce qui forme la charge thermique imposée au milieu laser.

Problématique de l’étude

Ainsi, dès lors que le système laser met en jeu de fortes puissances et que l‟absorption dépasse au moins la dizaine de watts, les problématiques d‟échauffement et la prise en compte des effets thermo-optiques auront alors un rôle fondamental. Ce mémoire de thèse se place donc dans ce contexte des systèmes laser de puissance. La problématique abordée a pour objectif d‟identifier et de mettre en place des stratégies innovantes pour atteindre des performances laser inédites. Nous nous demanderons alors quels moyens mettre en œuvre pour espérer dépasser les principaux écueils actuels. Il s‟agit donc d‟un challenge important pour lequel la compétition est rude et où l‟introduction de nouveaux concepts reste rare.

Dans l‟étude, nous proposons deux solutions pour gérer les problèmes thermiques. La première consiste à modifier la géométrie du milieu à gain afin de s’adapter

au mieux à l’échauffement thermique. C‟est ce qui est fait avec les disques minces, les

fibres ou les « slabs » lasers par exemple.

Dans cette première partie, nous allons étudier une géométrie hybride permettant de combiner les avantages des fibres en termes de gestion thermique et des cristaux massifs en termes de propriétés laser intrinsèques : les fibres cristallines. Elles permettent de dépasser les limitations thermiques usuelles des cristaux massifs et les limitations en termes de puissance crête et d‟énergie des fibres. En effet, parce qu‟il s‟agit d‟un milieu long et fin dans lequel la pompe se propage en étant guidée, l‟absorption ainsi que l‟échauffement sont répartis sur un volume important. Le signal laser est quant à lui imposé par une cavité standard dans laquelle il se propage librement (i.e. sans guidage) avec une section plus importante que celle des fibres dopées pour réduire le confinement et permettre la propagation de fortes puissances crêtes sans effets non-linéaires. Ce principe a fait l‟objet d‟une première étude de la part de Julien Didierjean dans une fibre cristalline en grenat d‟yttrium dopé à l‟ion néodyme (Nd:YAG). Dans ce mémoire de thèse, nous allons étudier le potentiel laser des fibres cristallines en Yb:YAG. Ce matériau se distingue du Nd:YAG par un défaut quantique fortement réduit : il vaut 9 % pour le Yb:YAG et 24 % pour le

i _{Le terme « défaut quantique » tel que nous l‟utilisons est en réalité d‟un abus de langage. Il traduit}

littéralement une perte d‟énergie (donc un « défaut ») entre un photon émis et un photon absorbé. Ces photons sont de nature « quantique ».

Nd:YAG pompé à 808 nm. Les effets spectroscopiques parasites sont également très limités avec l‟ytterbium grâce à une structure énergétique plus simple.

Exemple de fibres cristallines élaborées par la technique micro-pulling down.

L‟ytterbium est un ion laser très utilisé grâce à ses avantages thermiques et grâce à sa capacité de stockage de l‟énergie. En effet, si l‟on compare ses propriétés à celles du néodyme, le temps de vie de l‟état excité est jusqu‟à 10 fois plus important (cf. tableau ci-dessous). Par conséquent, si l‟on parvient à extraire convenablement cette énergie, nul doute que l‟Yb:YAG est un excellent candidat pour atteindre des performances inédites.

Nd:YAG Nd:YVO4 Yb:YAG

Section efficace d‟émission

(@ 1064 nm ou 1030 nm) 28 × 10−20  cm2 114 × 10−20 cm2 2.1× 10−20 cm2

Temps de vie du niveau excité 230 µs 90 µs 1 ms

Propriétés spectroscopiques des matériaux utilisés dans des systèmes de fortes puissances.

La seconde solution envisagée pour répondre à notre problématique est de réduire

le défaut quantique en jouant sur le choix du milieu laser et en tirant profit de ses propriétés spectroscopiques.

Ainsi, nous nous demanderons, dans la seconde partie de ce manuscrit, s‟il n‟existe pas un moyen de réduire intrinsèquement la charge thermique dans les milieux usuels que sont le Nd:YAG et le Nd:YVO4. Nous verrons que l‟on peut réduire efficacement le défaut quantique par l‟intermédiaire du pompage direct dans les niveaux émetteurs. Le principe de ce concept est schématisé sur la figure suivante : le niveau du haut de la transition de pompage est directement le niveau du haut de la transition laser. Cela permettrait de bénéficier des sections efficaces d‟émission des matériaux dopés Nd3+ _qui sont bien plus importantes que celle de l‟ion Yb3+ _{tout en réduisant la charge thermique au} niveau de celle de l‟ytterbium.

Schéma de principe du pompage direct dans les niveaux émetteurs.

Cette thèse s‟est déroulée à la fois au Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents de l‟Université Claude Bernard Lyon 1 et au Laboratoire Charles Fabry de l‟Institut d‟Optique. Elle a également été réalisée en partenariat avec l‟entreprise Fibercryst. Le travail sur les fibres cristallines est intimement lié à celui de Nicolas Aubry qui a réalisé sa thèse en même temps que moi sur l‟élaboration et la caractérisation des fibres cristallines dopées Yb:YAG.

Ce travail a été mené grâce au soutien financier de l‟Agence Nationale de la Recherche (ANR) à travers le contrat N° ANR-06-BLAN-0364 pour le projet « Idéalaser ».

PARTIE I :

Etude et réalisation de sources de

fortes puissances à base de fibres

Cette partie présente l‟ensemble de la démarche que nous avons suivie pour de la réalisation de sources laser à base de fibres cristallines dopées ytterbium. Dans cette optique, nous seront confrontés aux problématiques suivantes :

- Dans quel cadre précis devons-nous orienter nos recherches par rapport à l‟état de l‟art des sources de fortes de puissances utilisant des matériaux dopés ytterbium ? (chapitre 1)

- Par quels moyens est-il possible de réaliser notre milieu laser sous la forme de fibre cristalline ? (chapitre 2)

- Comment devons-nous modéliser notre système et quelles doivent être les spécifications de notre milieu ? (chapitre 3).

- Quelles sont les principales caractéristiques d‟une fibre cristalline, correspondent-elles aux critères requis pour la réalisation d‟une source laser ? (chapitre 4)

- Comment réaliser un système performant et adapté à la montée en puissance ? (chapitre 5)

- Après les réalisations expérimentales, quel bilan pouvons-nous dresser des résultats obtenus par rapport aux autres technologies ? Quel peut être le potentiel du milieu laser étudié pour la réalisation d‟un système de forte puissance ? Quelles sont les perspectives de recherche aussi bien dans le domaine des matériaux que des développements lasers ? (chapitre 6).

1. Etat de l’art des sources de fortes puissances à base de

matériaux dopés ytterbium

1.1

Cadre de l’étude bibliographique

Au cours de ce premier chapitre, nous proposons une étude bibliographique sur les solutions développées pour la réalisation de « sources laser de puissance ». Au regard de ce qui est présenté dans ce chapitre, nous limiterons notre étude à des systèmes dits « tout

solides », qui ne seront donc ni des diodes lasers, des lasers à gaz, ni des lasers à colorants,

car les problématiques technologiques dans de tels systèmes sont très différentes des concepts étudiés ici. Nous nous concentrons ici sur les résultats obtenus avec des

matériaux dopés à l’ion ytterbium. Des résultats typiques obtenus avec des cristaux

dopés à l‟ion néodyme seront présentés en début de partie II.

Nous présentons brièvement les résultats en régime de fonctionnement continu et nous insistons davantage sur le régime impulsionnel qui constitue un fonctionnement très attractif pour les applications industrielles. Pour cela, la gamme de durées d‟impulsions que nous étudions est dans une plage de plusieurs nanosecondes (au-delà de 1 ns). Nous excluons ainsi les systèmes complexes par exemple basés sur le « verrouillage des modes en phase » qui atteignent des impulsions d‟une durée comprise entre une à quelques dizaines de picosecondes. Nous excluons également la gamme de durées d‟impulsions femtosecondes qui se fait dans des systèmes beaucoup plus complexes utilisant par exemple la technique d‟amplification à dérive de fréquence [Strickland '85]. Nous ne traitons pas non plus des systèmes constitués d‟une combinaison de plusieurs sources laser entre elles. En effet, cette famille de systèmes, pouvant être réalisés selon des techniques variées, nécessite a priori le contrôle précis de la phase de chacun des n sous-systèmes afin d‟obtenir une combinaison cohérente de puissance n fois plus importante.

Enfin, pour chaque géométrie, nous présentons dans la mesure du possible les performances obtenues en tant qu‟amplificateur de puissance dans une configuration de type MOPA (de l‟anglais Master Oscillator Power Amplifier). Cette technologie est très répandue car elle permet de décorréler les propriétés de l‟émission (durée d‟impulsions, qualité de faisceau…) de la problématique de la génération de forte puissance/énergie. Nous verrons ainsi quels sont les principaux avantages et inconvénients des solutions existantes en s‟intéressant en particulier aux trois problématiques fondamentales que sont la qualité du faisceau, la gestion de l‟échauffement thermique au sein de la structure amplificatrice et le rendement d‟efficacité.

1.2

Les sources à cristaux massifs : architecture classique

Bien que le marché et le secteur de la recherche dans le domaine des lasers à fibres dopées soit actuellement en pleine expansion, il n‟en reste pas moins que les lasers solides à cristaux massifs pompés par diode continuent d‟occuper une place prépondérante sous

l‟impulsion notamment de géants industriels comme Coherent, Spectra Physics, Rofin ou encore Trumpf...

En effet, l‟utilisation de cristaux laser est bien plus ancienne que celle des fibres dopées car elle a été rendue possible par la maîtrise industrielle de méthodes de croissance cristalline dont nous reparlerons dans le chapitre 2. En particulier, la méthode Czochralski permet d‟obtenir des cristaux d‟excellente qualité optique avec des dimensions conséquentes. Les grenats d‟yttrium donnant le Nd:YAG ou l‟Yb:YAG et plus récemment les cristaux de vanadates (en particulier le Nd:YVO4) sont en effet les cristaux les plus utilisés pour la réalisation de sources laser de fortes puissances. Ces cristaux sont pompés optiquement grâce à des diodes lasers selon deux géométries distinctes : le pompage transverse et le pompage longitudinal dont nous détaillons le fonctionnement ci-dessous.

1.2.1 Le pompage longitudinal

Le principe du pompage longitudinal est présenté sur la Figure 1-1. Le faisceau de pompe est focalisé à travers une des faces du cristal. Le mode laser est généré de façon co-propagative au faisceau de pompe et imposé par une cavité extérieure. Cette géométrie est reconnue pour permettre d‟obtenir un faisceau limité par la diffraction et avec une excellente efficacité. En effet, le recouvrement spatial entre le mode laser et le volume du cristal laser excité par le pompage est optimal. Cependant, il nécessite également que la source de pompage soit de bonne qualité optique. Les développements actuels de diodes laser de puissance vont dans ce sens avec l‟augmentation des capacités de couplage de faisceaux issus de barrettes de diode dans des fibres multimodes grâce à des techniques propres à chaque intégrateur de ce genre de système (comme évoqué en introduction générale). La luminancei _{de ces systèmes de pompage s‟améliore d‟année en année.}

Figure 1-1 : Schéma de principe du pompage longitudinal.

Cependant, la montée en puissance est rendue délicate par le fait qu‟il est tout de même nécessaire de focaliser un faisceau possédant un facteur M² très élevé dans le cristal laser. Le faisceau de pompe divergera fortement de part et d‟autre du point de focalisation. Par conséquent pour maximiser l‟absorption dans un cristal massif, celui-ci devra alors être caractérisé par un couple {dopage-longueur} adapté. En pratique, cela implique le dépôt

i _{Cette grandeur photométrique (exprimée en W/cm²/sr) est parfois désignée par l‟anglicisme}

« brillance » dérivé de l‟anglais brightness. Elle est définit par le rapport entre la puissance maximale émise P et le produit de la surface de la fibre S par l‟angle solide  d‟émission à la sortie de la fibre (La fibre a un diamètre

fibre et une ouverture numérique ON) :





d‟une forte densité de puissance au sein d‟un milieu de quelques millimètres cube. Ceci va alors provoquer d‟importantes contraintes thermiques (comme l‟apparition d‟une lentille thermique, de biréfringence thermique, et le risque de fracture…).

Performances en régime continu :

Nous avons déjà mentionné le fait que la réduction du défaut quantique est une des clés pour la montée en puissance. Ainsi, dès la première démonstration du pompage par diode d‟un cristal d‟Yb:YAG à 969 nm en 1991 par P. Lacovara et T. Y. Fan, il est apparu alors évident que ce matériau était très avantageux pour la réalisation de systèmes de fortes puissances [Lacovara '91]. En effet, la charge thermique est réduite de plus de 50 % par rapport au pompage par diode de cristaux dopés néodyme à 808 nm et émettant à 1064 nm. De plus, la structure électronique de l‟ion Yb3+ _{limite les effets parasites qui} peuvent exister avec l‟ion Nd3+ _{(cf. chapitre 2 de la partie II).}

Cependant, cette structure électronique très simple de l‟ytterbium impose un fonctionnement laser à quasi-trois niveaux. Par conséquent, il présente une forte réabsorption à la longueur d‟onde laser à température ambiante. Cela nécessite alors le dépôt de fortes densités de puissance pour atteindre la transparence tout au long du cristali_. Ainsi, les démonstrations basées sur la géométrie de pompage longitudinal (décrite sur la Figure 1-1), ont été faites à l‟aide de cristaux de faible épaisseur et fortement dopés car les diodes de pompe utilisées étaient très divergentes. Ce dopage limite alors la puissance de pompe car l‟absorption locale et donc l‟échauffement sont très importants. En effet, les puissances laser obtenues restent inférieures à 10 W pour des puissances de pompe inférieures à 20 W [Dong '07a]. Les systèmes dans cette configuration classique sont donc limités par les effets thermiques.

Pour palier à cela, Ripin et al. ont utilisés des cristaux refroidis à des températures cryogéniques. Ils ont obtenus plus de 300 W pour 478 W de pompe à l‟aide de 2 cristaux placés dans une même cavité [Ripin '05]. Le schéma de ce système est repris sur la Figure 1-2. Le refroidissement permet en effet de forcer l‟ytterbium à fonctionner quasiment selon un régime à quatre niveaux, mais la cryogénie rend le système relativement complexe à mettre en œuvre.

Figure 1-2 : Oscillateur utilisant 2 cristaux d‟Yb:YAG à température cryogénique ([Ripin '05]).

Performances en régime impulsionnel :

La plupart des systèmes impulsionnels commerciaux utilisant le pompage longitudinal sont conçus plutôt avec l‟ion Nd3+ _{qu‟avec l‟ion Yb}3+_{. En effet, atteindre des} durées courtes et une forte extraction d‟énergie est difficile dans un oscillateur car cela suppose que le milieu ait un gain petit signal importanti_{. Dans le cas de l‟Yb:YAG (qui a} pourtant la plus grande section efficace d‟émission des matériaux dopés ytterbium), les valeurs de sections efficaces restent bien inférieures à celles des cristaux dopés Néodyme (cf. au Tableau en introduction générale). Cependant, des démonstrations ont été réalisées en régime déclenché pour produire des impulsions de 11 ns et de 72 µJ à l‟aide d‟un modulateur électro-optique en LiNbO3 [Fan '93b]. L‟utilisation de la technique de «

cavity-dumping » qui permet d‟imposer la durée des impulsions a permis à Wandt et al. de générer

des impulsions de 3 mJ et d‟une durée de 6 ns en pompant en régime quasi-continu à 10 Hz [Wandt '08]. Ce type de pompage présente l‟avantage de limiter l‟échauffement du milieu à gain, mais la cadence de fonctionnement est alors limitéeii_{. La puissance moyenne} est également réduite, mais la puissance crête correspondante atteint près de 500 kW. Avec le même type de déclenchement mais avec un pompage continu, la puissance moyenne reste toutefois limitée à des valeurs de l‟ordre de 700 mW pour 1 W de pompe à 940 nm à 100 kHz [Matsubara '06].

Performances en amplificateur :

Pour des raisons évidentes de recouvrement entre le faisceau de pompe et le faisceau signal injecté, le pompage longitudinal semble très favorable pour obtenir une bonne extraction, donc de fortes puissances moyennes en sortie de l‟amplificateur. Une démonstration a été faite en utilisant un cristal d‟Yb:YAG refroidi à une température cryogénique (77° K) et en un unique passage dans le cristal, un gain de 2,3 soit une puissance de sortie de plus de 250 W ont été obtenus en régime continu [Ripin '05]. Comme précédemment, peu d‟exemples existent dans cette configuration à température ambiante, car le gain est tout de même limité. Un tel système nécessite généralement la mise en place de nombreux passages au sein du milieu à gain [Wandt '08] ou l‟utilisation de nombreux étages d‟amplification [Ripin '05] voire même l‟utilisation d‟une configuration à amplificateur régénératif qui sort du cadre de cette étude. Des gains de plus de 103 _{ont été} démontrés dans des cristaux d‟Yb :YAG grâce à cette technique [Sueda '08], mais ces technologies restent complexes à mettre en œuvre et relativement coûteuses.

Finalement, les systèmes pompés longitudinalement utilisent rarement l‟ytterbium. Les cristaux laser dopés néodyme sont plus performants dans des oscillateurs en régime déclenché et en tant que milieux à forte extraction d‟énergie dans des systèmes MOPA en dépit d‟importantes limitations thermiques.

i _{Nous reviendrons plus en détails sur ces notions dans le paragraphe 5.3.1.1.} ii _{Celle-ci est alors imposée par la cadence de fonctionnement des diodes laser.}

1.2.2 Le pompage transverse

L‟autre solution pour pomper un barreau laser consiste à faire propager le faisceau de pompe perpendiculairement à l‟axe de propagation du faisceau laser. De cette façon, si l‟on souhaite augmenter la puissance de sortie, il suffit d‟augmenter la longueur du barreau et juxtaposer les sources de pompages (voir le schéma de droite de la Figure 1-3). On peut aussi multiplier les diodes en périphérie du barreau (comme le montre le schéma de gauche de cette même figure). L‟échauffement est alors davantage réparti sur un volume important.

Figure 1-3 : Schéma de principe du pompage transverse à l‟aide de barrettes de diodes laser.

La contrepartie de cette géométrie est la limitation du recouvrement entre le volume qui a absorbé la pompe et celui où se propage le signal laser. Cela réduit alors l‟efficacité globale du système et cela engendre une émission en général très multimode spatiale. Ainsi, en régime continu, l‟efficacité optique-optique est en général de l‟ordre de 30 % seulement avec des barreaux d‟Yb:YAG. Cette configuration a tout de même permis d‟atteindre le record de puissance avec ce matériau en régime continu : 2,65 kW à 1030 nm pour une puissance de pompe de 9 kW à 940 nm correspondant à une efficacité de 28 % [Bruesselbach '05]. Il faut préciser que l‟émission était très largement multimode et que Bruesselbach et Sumida ont pris un grand soin pour le refroidissement du barreau avec un jet d‟azote liquide. Dans une cavité stabilisée par lentille thermique, ils ont également obtenu plus de 800 W avec un M² de 1,2 avec le même système. L‟efficacité est alors réduite à 14 %.

Les avantages de cette technologie sont la robustesse et la possibilité d‟utiliser directement des diodes laser sous forme de barrettes (stacks) qui ont un coup inférieur à celui des systèmes à diodes laser fibrés décrits en introduction. Toutefois, cette géométrie offre des valeurs de gain intrinsèques plus importantes avec des matériaux dopées néodyme.

Pour atteindre des niveaux de gain important dans les matériaux dopés ytterbium, une des solutions est de favoriser le confinement de la pompe dans la structure. L‟architecture répondant le mieux à cette condition est la fibre amorphe dopée double

1.3

Les sources à fibres amorphes dopées

1.3.1 Les fibres à structures double gaine

Dans les 10 dernières années, le développement des lasers à fibres de fortes puissances a connu une croissance sans précédant avec notamment une multiplication par 3 du marché entre 2005 et 2008 [Mayer '09]. En effet, cette technologie permet d‟atteindre des records d‟efficacités optique-optique, en assurant a priori une bonne qualité de faisceau, tout en proposant un faible coût de maintenance et une excellente compacité à l‟utilisateur. Toutes ces propriétés sont obtenues grâce à la structure même de la fibre dite à « double gaine » (ou double clad en anglais). Comme il est montré sur la Figure 1-4, cette fibre est composée de deux cœurs concentriques et d‟une gaine polymère protectrice. Le cœur de pompe qui possède une forte ouverture numérique (typiquement de 0,22 dans le cas de fibre standard) permet de répartir le faisceau multimode issu d‟une diode laser de pompe sur la grande longueur que compte la fibre (plusieurs mètres à quelques dizaines de mètres). Le second cœur ou « cœur actif » est dopé en ions terres rares. Il est en général monomode pour le faisceau laser généré. Cette propriété est fondamentale car le rayon du cœur actif de l‟ordre de quelques microns (10 µm) ainsi que la différence d‟indice entre le cœur actif et le cœur de pompe (i.e. la gaine pour le signal) imposent alors une émission monomode transverse.

Figure 1-4 : Représentation schématique d‟un amplificateur à fibre dopée avec pompage contra-propageant. En insert, vue transversale d‟une fibre à double-cœur.

Le cœur est préférentiellement dopé à l‟ion ytterbium plutôt qu‟à l‟ion néodyme. Il semble que l‟utilisation de ce dernier entraîne des difficultés de fabrication (formation d‟agrégats dans la silice). De plus des effets spectroscopiques propres à la structure complexe du néodyme et néfastes en utilisation laser sont exacerbés par le confinement dans la fibrei_{. Les phénomènes thermiques sont plus importants du fait du défaut} quantique plus élevé (25 % au lieu de plus de 10 %). Enfin, les performances des fibres dopées Nd3+ _{sont très limitées par un fort taux d‟émission spontanée amplifiée.}

i _{On peut citer par exemple l‟effet Auger, l‟absorption de l‟état excité qui sont décrits plus}

Le gain disponible dans une fibre double cœur est considérable de par le confinement de l‟intensité laser et les importantes longueurs d‟interaction. La seule réflexion sur l‟interface air/verre à la sortie de la fibre permet en général de jouer le rôle de coupleur de sortie (R = 4% pour nSilice=1,5). La cavité peut également être constituée de miroirs diélectriques, ou de miroir de Bragg inscrits dans la structure même. De plus, la géométrie du milieu à gain où l‟absorption est répartie le long de la fibre offre une importante surface d‟échange entre la zone dopée et la gaine extérieure non dopée. Pour cette raison, un tel milieu est capable de supporter de très fortes puissances de pompe (actuellement supérieure à plusieurs kilowatts).

Cependant, la génération de niveaux de puissances de plusieurs centaines de watts induit des valeurs d‟intensité considérables au sein du matériau (I ~ 300 MW/cm² pour 1 kW de puissance laser dans un cœur de 10 µm). La silice souffre d‟une résistance moins bonne que les cristaux. Par ailleurs, le seuil de dommage de surface est difficilement quantifiable mais il est admis que l‟ordre de grandeur de l‟intensité maximum dans de la silice est environ de 500 à 1000 MW/cm² [Dawson '08], ce qui montre que les limitations liées à la génération de très fortes puissances laser sont bien réelles dans ce type de système.

En outre, le confinement et les ordres de grandeur de l‟intensité dans le matériau peuvent donner lieu à la génération de phénomènes non-linéaires. C‟est principalement le cas en régime impulsionnel, mais certains naissent également en régime continu (principalement la diffusion Raman stimuléei_).

Ainsi, des efforts de développements ont été portés sur la réalisation de structure à large aire modale (LMA en anglais pour Large Mode Area). Augmenter la taille du cœur permet ainsi de réduire l‟intensité dans le matériau et de prévenir les risques d‟endommagement. Cependant, conserver alors une émission monomode est alors moins aisé malgré l‟utilisation de techniques comme l‟enroulement (ou bending) pour réduire le nombre de modes se propageant au profit du mode fondamental LP01. La technologie des fibres à cristaux photoniques qui sera évoquée dans le paragraphe suivant permet également de conserver une bonne qualité de faisceau.

Performances en régime continu :

Actuellement, le record atteint en régime continu est de près de 10 kW avec une émission monomode à partir d‟une technologie « tout fibrée » [Gaspontsev '09]. Même s‟il ne s‟agit là que d‟une première démonstration de laboratoire, on comprend alors que les propriétés de compacité et de fiabilité dont peut bénéficier cette technologie en fait une candidate sérieuse pour des applications industrielles. Les lasers proposés commercialement par la société IPG Photonics atteignent 2 kW avec une émission monomode autour de 1 µm [IPG].

i _{La diffusion Raman est le résultat de diffusion inélastique des photons sur les modes}

vibrationnels (ou phonons) de la silice amorphe. Cela se traduit alors par une perte d‟énergie du faisceau incident et par une conversion de fréquence. Cet effet peut être exacerbé par la propagation dans une fibre donnant lieu alors à de la diffusion Raman stimulée.

Les efficacités de ces systèmes sont très élevées. Ainsi, avec un cœur pour le faisceau laser de 40 µm, près de 86 % d‟efficacité optique-optique et une puissance maximale de 1,36 kW à 1 µm ont été démontrées avec un M² de l‟ordre de 1.4 [Jeong '04]. Avec une émission multimode, les meilleurs systèmes permettent d‟atteindre entre 2 et 20 kW commercialement avec des facteurs de qualité (M²) compris entre 5 et 30 [IPG].

Il est clair que l‟augmentation de l‟aire modale effective d‟une fibre se fait au détriment de la qualité spatiale de l‟émission et elle accentue également les phénomènes thermiques (comme l‟apparition de lentille thermique par exemple). Ceux-ci auront alors des répercutions sur l‟efficacité des systèmes et leur possible montée en puissance. Récemment, il a été estimé en tenant compte de toutes les limitations possibles que la limite ultime des lasers à fibres pour une émission monomode serait entre 10 kW [Limpert '07] et 36 kW [Dawson '08] selon le diamètre effectif du mode. Cela démontre le fort potentiel de cette technologie en régime continu !

Performances en régime impulsionnel :

En régime impulsionnel, d‟autres phénomènes non-linéaires sont exacerbés car les puissances crêtes (donc a fortiori les valeurs d‟intensités) sont alors très importantes. On peut citer les effets non-linéaires comme l‟effet Kerr, la diffusion Raman ainsi que la diffusion Brillouin qui s‟avèrent être très limitants pour l‟efficacité de ces systèmes et perturbant le spectre émis. L‟autofocalisation peut même provoquer la destruction irréversible du matériau.

Le seuil de dommage aux interfaces air/verre est le principal facteur limitant. On estime que la limite de tenue en puissance crête est de l‟ordre de 2 GW/cm² à la longueur d‟onde de 1 µm à l‟interface [Wood '75-Koechner '06]i_{. L‟intérêt d‟augmenter l‟aire} effective est donc ici renforcé par cette limitation intrinsèque qui restreint la gamme de fonctionnement à quelques millijoules en énergie et à quelques dizaines de kilowatts en puissance crête. De plus, les longueurs typiques des fibres dopées de plusieurs mètres de long imposent la longueur de cavité et donc la durée des impulsions qui peuvent être générées. Ainsi, les durées standards sont en général supérieures à 100 ns. Par exemple, dans une fibre LMA de 44 µm de diamètre et d‟ouverture numérique de 0,075, des impulsions de près de 2,3 mJ et de 100 ns ont été obtenues à une cadence de 500 Hz avec une M² autour de 3. Le déclenchement du laser a été réalisé à l‟aide d‟un modulateur acousto-optique [Alvarez-Chavez '00]. A ces niveaux d‟énergie, le système était extrêmement sensible à la qualité de surface des fibres utilisées provoquant d‟importantes dégradations à l‟interface.

i _{Cette valeur est donnée pour la silice pure. Dans le cas où elle est dopée, la réduction du seuil de}

dommage peut être significative (dû à l‟introduction de défauts, d‟inclusions…). A titre de comparaison, le Nd:YAG a une tenue au flux de l‟ordre de 3,6 GW/cm² soit quasiment deux fois plus importante [Koechner '06].

Performances en tant que milieu amplificateur :

L‟utilisation de fibre dopée ytterbium est répandue pour l‟amplification de sources primaires dans une structure de type MOFPA (Master Oscillator Fiber Power Amplifier).

A partir d‟une fibre de 50 µm de diamètre et une énergie injectée de 4 µJ (impulsions de l‟ordre de la nanoseconde), 750 µJ à 1 kHz (soit 750 mW) ont été obtenus pour 7 W de pompe, soit un gain de 190 [Schrader '08]. Une démonstration a même été faite avec une fibre de 200 µm de diamètre de cœur, dont l‟émission était alors fortement multimode. Elle a permis d‟amplifier des impulsions jusqu‟à 2,7 mJ avec un gain de 10 mais à des fréquences inférieures à 100 Hz [Cheng '05]. La société Teem Photonics proposent commercialement un système délivrant 7 W à 1064 nm avec des impulsions de 900 ps à 40 kHz obtenues par un microlaser amplifié dans une fibre LMA [Teem].

Afin de palier aux limitations présentes en régime impulsionnel, des fibres de nouvelles générations ont fait leur apparition. C‟est le cas des fibres à cristaux photoniques, des fibres à géométrie évasée ou encore des fibres dans des matériaux différents de la silice.

1.3.2 Les fibres à cristaux photoniques

Les fibres à cristaux photoniques constituent une évolution des fibres LMA afin d‟augmenter l‟aire modale tout en réduisant au maximum l‟ouverture numérique du cœur du signal. La physique sous jacente est celle des cristaux à bande interdite photoniques. Un exemple de ce type de fibre est donné sur la figure suivante.

Comme il est montré sur la Figure 1-5, la structure double cœur est assurée par une gaine d‟air (ou air-clad) qui garantit le confinement de l‟onde de pompe. Cette gaine a une grande ouverture numérique (> 0,5) permettant de coupler de fortes puissances de pompe. D‟autre part, le cœur dopé est entouré d‟une structure à cristaux photoniques (rangée de trous d‟air) qui assure une faible différence d‟indice entre l‟indice du cœur et l‟indice effectif de la gaine pour le signal. L‟ouverture numérique très faible (inférieure à 0,02) pour l‟onde signal assure une émission monomode transverse malgré des tailles de cœur pouvant aller jusqu‟à 80 µm de diamètre.

Figure 1-5 : Exemple de fibre à cristaux photoniques avec air-clad pour la pompe et trous d‟air pour confiner le laser dans le cœur dopé.

La contrepartie de ce type de structure réside dans la nécessité de maintenir l‟alignement des structures à trous tout le long de la fibre. Ceci a donné lieu à la naissance

d‟une fibre de « type barreau » (ou rod-type fiber) qui est une fibre dont la structure est décrite ci-dessus, mais complètement emprisonnée dans une nouvelle gaine de verre qui n‟a aucune fonction optique mais qui permet d‟assurer la rigidité du milieu à gain et d‟améliorer l‟évacuation thermique par rapport à la gaine en polymère. Néanmoins, les trous d‟air constituent a priori une barrière thermique importante car l‟air est un très mauvais conducteur de chaleur, ce qui diminue localement la capacité d‟évacuation de la chaleur concentrée dans le cœur dopé.

En régime continu, une puissance laser de 320 W a été obtenue pour une puissance de pompe incidente de 445 W à 975 nm, avec une émission monomode et une pente d‟efficacité de 78 % dans une fibre de 60 µm de diamètre de cœur et de seulement 50 cm de long [Limpert '06].

En régime impulsionnel, cette technologie de fibre « rod-type » est portée par la société Eolite Systems [Eolite] qui développent des systèmes commerciaux de fortes puissances moyennes et de fortes puissances crêtes. En effet, la longueur de plusieurs dizaines de centimètres du milieu à gain a permis la génération d‟impulsions de durées inférieures à 8 ns et avec une énergie de l‟ordre de 2 mJ à 1 kHz [Schmidt '07]. A hautes cadences, les résultats obtenus dans ce travail constituent les performances les plus marquantes dans un système à fibre, permettant d‟allier des puissances moyennes supérieures à 150 W et avec des impulsions sub-10 ns. Cela correspond alors à des puissances crêtes de l‟ordre de plusieurs centaines de kilowatts.

L‟utilisation de cette technologie dans des systèmes amplificateurs a permis également d‟atteindre des performances inédites : des impulsions de 4,5 mJ par impulsion, d‟une durée de 1 ns à 10 kHz. Cela correspond donc à une puissance crête de 4,5 MW dans une fibre à cristal photonique de 100 µm de diamètre de cœur, de 90 cm de long et munie de endcapsi _{pour limiter les risques d‟endommagement des extrémités [Di Teodoro '07]. De} même, des impulsions de 85 ps et de 40 mW à 105 kHz de taux de répétition ont été amplifiées dans un premier amplificateur à fibre jusqu‟à 1,5 W puis dans une fibre à cristaux photoniques de 70 µm de diamètre de cœur et jusqu‟à 27 W pour 100 W de pompe, correspondant à une puissance crête supérieure à 3 MW. Le gain obtenu dans la fibre à très large cœur est donc de 18 [Nodop '08].

Cependant, il est difficile d‟envisager que de tels systèmes ne subissent pas le même type de contraintes en terme de seuil de dommage que les fibres LMA classiques : dépasser le seuil de 1 mJ par impulsion nécessite des précautions pour préparer avec beaucoup d‟attention les extrémités des fibres [Bello Doua '09]. De plus, le vieillissement en opération de la silice fortement dopée reste un sujet d‟étude car, sur les premières fibres rod-type, la génération de fortes puissances entraînait à plus ou moins long terme le photonoircissement (ou photodarkening en anglais) du matériau [Koponen '06].

i _{Il s‟agit d‟un morceau de verre non dopé contacté sur la fibre dans lequel le faisceau se propage}